Atomaire laag depositie van vanadium oxide voor lithium-ion batterijen

Batterijen van de toekomst met elektroden op nanoschaal

Meer dan 1 miljard. Dat is het antwoord op de vraag hoeveel gemotoriseerde voertuigen momenteel in gebruik zijn wereldwijd. Bovendien ligt het aantal voertuigen per duizend inwoners in China en India momenteel gevoelig lager dan gemiddeld, maar zijn beide landen aan een inhaalbeweging gestart. Men kan dan ook verwachten dat het globale cijfer de komende decennia aanzienlijk zal toenemen. In een wereld waar men fossiele brandstoffen tracht te vervangen, bieden elektrische voertuigen een ideaal alternatief. Daarvoor zijn verdere technologische doorbraken noodzakelijk, voornamelijk op het gebied van lithium-ion batterijen.
- Kobe Geryl -

Batterijen met hoger vermogen

Lithium-ion batterijen zijn alomtegenwoordig in smartphones, laptops, digitale camera’s en ipads en maakten door hun betrouwbare energieopslag een revolutie in draagbare elektronica mogelijk. Voor meer geavanceerde toepassingen, zoals elektrische voertuigen, zijn echter grotere vermogens vereist. Commerciële lithium-ion batterijen voldoen moeilijk aan de vereiste specificaties, waardoor de grote doorbraak van elektrische voertuigen voorlopig op zich laat wachten.

Bij herlaadbare lithium-ion batterijen wordt stroom opgewekt door transport van lithium-ionen tussen twee elektroden. Het lithium, dat zich initieel in de eerste elektrode bevindt, zorgt voor een ladingsverschuiving wanneer het zich in de tweede elektrode nestelt. Hierdoor lopen er elektronen, en dus stroom, in het externe circuit. De snelheid waarmee het transport van lithium-ionen doorgaat, limiteert de stroom die de batterij kan leveren. In dit onderzoek werd getracht het lithiumtransport te versnellen door de dikte van de elektrode te verkleinen, om zo een hoger vermogen te realiseren. Wanneer de dikte verlaagd wordt, is er vanzelfsprekend minder elektrodemateriaal aanwezig zodat minder lithium kan opgenomen worden. Om dit negatieve gevolg tegen te gaan, werd de elektrode niet op een vlak substraat gedeponeerd, maar werd een driedimensionaal substraat gebruikt. Een dergelijke 3D-structuur heeft een groter oppervlak, zodat het afzetten van een dunne film op het oppervlak van een 3D-substraat zorgt voor meer elektrodemateriaal en energieopslag. Tegelijk behoudt men het voordeel van het snelle transport in de dunne laag.

Vanadium oxide

De dikte van een elektrode werd in deze scriptie gereduceerd tot slechts 50 nm, wat maar liefst 2000 keer dunner is dan de dikte van een mensenhaar. Om driedimensionale substraten op uniforme wijze van zo’n dunne elektrodelaag te voorzien werd ‘Atomaire Laag Depositie’ toegepast, doorgaans afgekort als ALD. Dat is een techniek waarbij het gewenste materiaal atoomlaag per atoomlaag wordt afgezet door een substraat in een reactiekamer afwisselend bloot te stellen aan twee gassen, ook wel precursoren genoemd. Bij het binnenkomen van de kamer reageren de deeltjes van het gas met de moleculen op het oppervlak van het substraat. Na elke precursorpuls wordt de kamer leeggepompt tot hoog vacuüm om het resterende precursorgas en eventuele ongewenste gasvormige reactieproducten te verwijderen . Door beide gassen af te wisselen wordt het materiaal opgebouwd, schematisch voor te stellen als A-B-A-B-… Met ALD kan men heel uiteenlopende materialen afzetten, simpelweg door andere gassen te gebruiken. In dit geval werd een vanadium oxide laag gedeponeerd met behulp van een vanadium en zuurstof precursor.

Vanadium oxide wordt slechts zelden gebruikt als elektrode in herlaadbare lithium-ion batterijen, maar onderzoek leverde reeds enkele veelbelovende resultaten op. De laag die in dit geval met ALD werd afgezet was amorf. Dat betekent dat de atomen niet geordend zijn in een roosterstructuur, maar willekeurige oriëntaties en plaatsen innemen. Om veel lithium-ionen te kunnen opnemen in het vanadium oxide is een kristalstructuur voordeliger, met ordening van de atomen in een roosterstructuur. Wanneer het amorfe materiaal wordt opgewarmd, krijgen de atomen meer energie waardoor ze zich kunnen herschikken in een rooster. Op deze wijze kan het amorfe materiaal kristalliseren. De scriptie onderzocht de invloed van verschillende parameters op het kristallisatieproces, wat leidde tot de synthese van zes verschillende vanadium oxiden. Allen bestaande uit vanadium en zuurstof, maar opgebouwd uit verschillende roosterstructuren.

Vervolgens werden de zes vanadium oxiden onderworpen aan identieke elektrochemische tests. Er werd onder meer bepaald hoeveel lithium kan opgenomen worden, bij welke spanningen die reacties optreden en in hoeverre de processen omkeerbaar zijn. Hieruit bleek dat meerdere vanadium oxiden een grotere energiedensiteit hebben dan enkele vaak gebruikte commerciële elektrodematerialen. Daarnaast werd de beste optie geïdentificeerd voor applicatie in herlaadbare lithium-ion batterijen en werd dit materiaal met succes getest op een driedimensionale structuur.  

Toekomstperspectieven

“Atomaire laag depositie van vanadium oxiden voor lithium-ion batterijen” toont aan dat ALD zijn plaats verdient in toekomstig onderzoek naar synthese en modificatie van batterijcomponenten. Omwille van de grote uniformiteit en flexibiliteit is ALD uitermate geschikt in de academische wereld. In de productie van lithium-ion batterijen voor elektrische voertuigen zal ALD echter geen rol van betekenis spelen. De noodzaak van een hoog vacuüm maakt de technologie namelijk te duur. De aanpak die hier gevolgd werd, waarbij de dimensie van de elektrode wordt gereduceerd naar de nanoschaal, blijft echter toepasbaar. Er bestaan immers meerdere depositietechnieken die geen gebruik maken van een vacuümopstelling en bijgevolg op een goedkopere wijze een dunne laag kunnen aanbrengen.

Toch kan ALD voor Li-ion batterijen een louter academische rol overstijgen. Bij de ontwikkeling van een microscopische all-solid batterij kan ALD een cruciale techniek worden. Daarbij wordt de traditioneel vloeibare elektroliet vervangen door een vaste stof. Deze vooruitgang zou een revolutie betekenen inzake veiligheid van Li-ion batterijen en bijvoorbeeld in de geneeskunde autonome implantaten met eigen energietoevoer mogelijk maken. Denk bijvoorbeeld aan een volledig inwendig oorapparaat of een microsysteem dat bacteriën opspoort en vernietigt.

Verder onderzoek naar lithium-ion batterijen blijft hoe dan ook belangrijk. Bovendien bewijzen enkele bedrijven dat de gewenste doorbraken zeer realistisch zijn. Nemen we als voorbeeld het Amerikaanse ‘Tesla Motors’. Met een actieradius van ongeveer 400 km voldoet de Tesla Model S reeds aan de behoeften van de doorsnee gebruiker. Verder onderzoek zal ongetwijfeld de prestaties van herlaadbare lithium-ion batterijen verbeteren, zodat elektrische voertuigen in de toekomst de norm worden in plaats van de uitzondering. Wie weet voegt Tesla Motors of een van zijn concurrenten zich dan wel bij de top vijf bedrijven met de grootste inkomsten wereldwijd. Een lijstje dat tegenwoordig enkel bedrijven bevat die handelen in… olie en gas.